在《巴黎协定》提出将全球升温幅度控制在1.5℃以内的十年后，全球在实现减排目标方面仍面临挑战。预计2025年温室气体（GHG）排放量将增长1.1%，达到历史新高，并进一步加剧气候相关灾害的影响。实现2050年净零排放的目标比以往任何时候都更为紧迫，这需要一套全面的战略——向可再生能源转型、提高能源效率、推广可持续的土地利用实践，以及捕集二氧化碳（CO2）。
捕集CO2排放是依赖化石燃料的行业采取的一项关键策略。水泥和钢铁制造等行业需要极高的工艺温度，尽管绿色氢能等无排放替代方案已经存在，但这些技术仍处于规模化阶段，尚无法满足工业动力需求。
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了解更多碳捕集、利用与封存（CCUS）正成为缓解现有基础设施排放的重要工具，而直接空气捕集（DAC）技术则有助于降低当前大气中的CO2浓度。碳捕集技术是全球减排的重要组成部分。正如我们在近期对CAS内容合集TM（全球最大的人工标引科学信息库）的分析中所发现的那样，这些技术正日益接近大规模商业化。
碳捕集领域的最新出版趋势
碳捕集方法已存在数十年。正如我们在早先的CAS洞察文章中所探讨的那样，目前有多种碳捕集途径，包括生物、化学和地质方法。自我们上一篇出版物发布以来，一个显著的发展是CO2捕集相关专利数量的剧增，这表明近年来商业界对此表现出浓厚兴趣（见图1）。
图1： 2009年至2025年期间与CO2捕集相关的专利和期刊出版物数量。2025年数据统计截至5月。来源：CAS内容合集。
我们利用CAS标引数据对碳捕集相关出版物进行了映射，根据内容领域将其归入不同部分。这种映射揭示了哪些主题正受到最多的研究关注，以及哪些领域拥有最高的专利活跃度（见图2）。总体而言，工程和化学转化方法在该领域的商业化进程中处于领先地位。
图2： 基于CAS部分划分的CO2捕集相关出版物图谱，以及各分支中的出版物数量。图谱中的各个节点根据各分支中专利所占的百分比进行了颜色编码。来源：CAS内容合集。
“空气污染与工业卫生”部分拥有的出版物数量最多，超过13,000篇。然而，尽管数量庞大，其专利占比仅为17%，这表明许多研究仍处于基础研究阶段。
相比之下，“单元操作与工艺”以及“催化剂、反应动力学与无机反应机理”部分的出版物数量虽少于“空气污染与工业卫生”，但却表现出极高的专利活跃度。“单元操作与工艺”部分的专利占比为62%，表明商业界对吸收塔、膜分离和变压吸附系统等课题有着强烈的关注。“催化剂、反应动力学与无机反应机理”部分（专利占比37%）可能涵盖了企业极感兴趣的、用于将CO2转化为化学品和燃料的新型催化剂。
我们的分析发现，“电化学、辐射与热能技术”部分的专利占比为24%，涵盖了CO2电化学还原和固体氧化物电解池等技术。
有趣的是，与植物和生物基碳封存相关的三个领域——“肥料、土壤和植物营养”（5%）、“植物生物化学”（3%）以及“微生物、藻类和真菌生物化学”（11%）——的专利占比相当低（括号内所示）。鉴于光合作用和工程微生物在生物固碳方面的潜力，这似乎是一个被错失的商业机会。
碳捕集商业化的新驱动力
专利活动为何日益活跃？碳捕集技术的商业化正受到多重因素的推动，从日益严峻的气候问题到市场激励机制，再到技术进步，不一而足：
- 严格的环境法规：全球各国政府正在实施更严格的法规和政策，旨在减少温室气体排放。这些措施包括碳税、排放交易体系以及强制采用碳捕集解决方案。
- 企业对可持续发展的承诺：企业正面临来自利益相关者、投资者和消费者的巨大压力，要求其减少环境影响并实现碳中和。许多公司正在设定宏伟目标，并投资于碳捕集、利用与封存（CCUS）技术，以响应环境、社会和治理（ESG）倡议。
- 经济激励措施：各国政府和国际组织正提供大量的资金、拨款、税收抵免和补贴，以支持 CCUS 技术的研发与部署。
- 提高石油采收率（EOR）的应用：捕集的二氧化碳在 EOR 中的应用为 CCUS 提供了重要的市场和经济驱动力。2将二氧化碳注入油井有助于提高石油产量，从而产生可抵消部分捕集和封存成本的收入来源。注入二氧化碳2有助于提高石油产量，从而产生可抵消部分捕集和封存成本的收入来源。
- 技术进步：持续的研发工作正推动捕集方法向更高效、更具成本效益和可扩展的方向发展。这包括新型材料（如溶剂、吸附剂、膜）的进步、工艺优化以及碳捕集与其他清洁能源技术的集成。
- 对低碳产品的市场需求：各行业对可持续和环保产品及工艺的需求日益增长，正在刺激二氧化碳捕集技术的应用。2
捕集一吨二氧化碳的成本对于决定碳捕集技术的应用和商业可行性至关重要。2目前的成本估算因来源、技术和运营规模而异。对于乙醇生产或天然气加工等二氧化碳浓度较高的工业流程，成本可2在每吨 15 至 25 美元之间。范围然而，对于水泥生产和发电等产生的稀释气体流，成本可能更高，在每吨 40 至 120 美元之间。2直接空气捕集（DAC）目前的成本为每吨 600 至 1,000 美元，但专家认为，随着研发和基础设施建设投入的增加，到 2050 年这些成本有望2降至每吨 200 美元以下。下降
碳信用额度是影响二氧化碳捕集经济可行性的另一个因素。2碳信用额度是可追踪的许可证或证书，代表从大气中减少或清除一吨二氧化碳当量（tCO2e）。这些信用额度的价格也因行业、项目类型和项目质量而异。尽管近期平均价格有所下降（2024 年降至每吨 4.8 美元），但市场对高质量、经核证的信用额度需求依然强劲，这使得具有更高持久性和积极影响的项目能够获得溢价。
如果这些价格上涨，捕集和封存二氧化碳的经济可行性将比直接排放更具吸引力。2实现碳捕集的广泛部署需要大量的投资、技术进步和法规支持。随着全球努力实现宏伟的气候目标并减轻气候变化的严重影响，这些关键技术在未来几年展现出广阔的前景。相比
增长最快的专利概念
为了进一步了解碳捕集商业化的发展情况，我们分析了图 2 中专利数量最多的六个 CAS 分类，并确定了其中最常见的科研概念（见图 3）。
图 3： 专利占比高的 CAS 分类中的索引概念。来源：CAS 内容合集。
在“空气污染与工业卫生”领域，吸附和吸收占据主导地位，烟气处理是核心焦点。研究人员正致力于优化具有高孔隙率和高比表面积的吸附剂，以捕集工业排放中的二氧化碳。2“经济学”这一概念的出现再次强调了成本考量对于商业化的重要性。
相关案例研究：了解东丽（Toray）的研究人员如何通过 CAS 定制服务（CAS Custom Services）的专业培训，掌握关键的数据管理原则并改进其数据实践。
阅读案例“化石燃料、衍生物及相关产品”分类展示了捕集与利用方法的有趣结合。虽然吸附技术依然重要，但提高石油采收率（EOR）的应用也十分突出，这表明相关研究正致力于利用捕集的二氧化碳来提高石油产量。这不仅为捕集提供了经济激励，也增加了对额外封存的需求。2
“电化学、辐射和热能技术”领域揭示了向可持续解决方案的转变，生物质和可再生能源是其中的核心概念。电解技术的出现表明了电化学二氧化碳还原研究的活跃。合成气生产则显示了将二氧化碳转化为有用化学品的相关研究。22
“单元操作与过程”部分拥有最高的专利占比，重点关注流动、分离和传热优化等工程方面。换热器的存在表明，能量回收对于实现过程的经济可行性至关重要。
“废物处理与处置”将生物质/木炭与废水处理相结合，提出了集成化的处理方法。“催化、动力学和无机反应机理”部分涵盖了金属有机框架和环加成反应，用于将 CO2 转化为环状碳酸酯及有价值的化学产品。这一发现与我们之前的分析（见图 2）一致，即化学转化正受到越来越多的重视。
纵观碳捕集文献中出现的物质，CO2 无疑是被引用次数最多的，它既是捕集的目标，也是潜在的利用原料（见图 4）。
图 4： (A) CO2 捕集相关出版物中最常见的 15 种物质；(B) 包含特定物质的出版物数量，以及这些物质在三个高专利占比和高出版物数量的 CAS 分类中的作用。来源：CAS 内容合集。
其他关键物质包括碳材料——例如，活性炭因其高比表面积和易于改性的特性，成为一种备受青睐的吸附剂。其他常被引用的物质包括氮气，它在吸附剂的合成和再生过程中用作惰性气体。氢气被广泛提及，因为它在甲烷蒸汽重整过程中与 CO2 一同产生。甲烷本身是蒸汽重整的反应物，该过程会产生大量的 CO2，同时也是通过 萨巴捷反应 (Sabatier reaction) 还原 CO2 的产物。此外，在某些应用中，将 CO2 从主要成分为甲烷的天然气中分离出来也至关重要。
图 4B 展示了在三个高专利占比和高出版物数量的 CAS 分类中，顶级物质在 CO2 捕集研究中的作用。
在“空气污染与工业卫生”部分，乙醇胺是燃烧后 CO2 吸收系统的主要工程材料，而钙基化合物（碳酸盐和氧化物）则实现了用于永久性 CO2 封存的矿物碳酸化过程。甲烷主要作为烟气流中的污染物出现，需要从捕集的 CO2 中分离出来。
“电化学、辐射和热能技术”部分强调了 CO2 向高价值产品的转化，其中氢气和一氧化碳是通过电化学还原生产合成燃料的关键反应物。这种方法通过“电转气”(power-to-gas) 技术将捕集的 CO2 转化为甲烷，从而提供可再生能源存储解决方案。该部分还将甲烷、氢气和一氧化碳作为反应物，重点关注电化学转化等工艺。
在“化石燃料、衍生物及相关产品”部分，甲烷、氢气和一氧化碳主要被研究用于 CO2 利用途径，包括它们作为将捕集的 CO2 转化为燃料或其他化学品的反应物的作用。甲烷在此部分发挥双重作用——既是蒸汽甲烷重整制氢过程中的工艺材料，也是分离的目标。乙醇胺在此部分的出现频率较低，表明对于高压气流，变压吸附等替代捕集方法更为常用。
二氧化硅作为一种工程材料在所有部分中均有出现，这很可能代表了用于 CO2 吸附的固体吸附剂的开发。不同物质所扮演的角色凸显了碳捕集策略如何适应不同的工业环境——从处理大气排放到将 CO2 转化为有价值的化学品，以及管理化石燃料加工流。
碳捕集技术的实际应用
通过专利受让人，我们可以看到相关概念和 IPC 代码如何在当前的工业应用中成形（见图 5）：
图 5： (A) 拥有专利数量最多的专利受让人；(B) 顶级专利受让人专利出版物中最常见的国际专利分类 (IPC) 组和 CAS 索引概念。列代表 IPC 组，方块代表概念，方块的大小与出版物数量成正比。来源：CAS 内容合集。
- 全球工业气体公司液化空气集团 (L'Air Liquide) 重点关注基于吸附系统的气体分离和纯化技术。其与合成气相关的专利表明，该公司正致力于与氢气生产设施进行整合。
- 中国石油化工集团和中国华能展现了对烟气处理的高度重视，反映了中国在燃煤电厂及其他行业实现脱碳的迫切需求。它们对含氧有机化合物的关注表明，相关企业正在开发用于化学品生产的 CO2 利用途径，利用微藻将废弃的 CO2 转化为有价值的原料。
- 沙特阿美 (ARAMCO) 和斯伦贝谢 (Schlumberger) 是石油服务公司，其专利将钻井设备与碳捕集技术相结合。这表明它们正在开发提高石油采收率 (EOR) 系统，将捕集的 CO2 注入枯竭的油田，在封存碳的同时开采更多的石油资源。
固体吸附剂和吸附技术在所有公司中的普及，表明行业正转向下一代捕集材料，与传统的液体胺系统相比，这些材料能降低能源损耗。换热技术的创新表明行业重点在于热集成和能量回收，这对降低运营成本至关重要。这种专利分布展示了不同工业部门如何根据各自的运营环境和商业模式调整碳捕集技术。
碳捕集技术的未来步骤
正如我们对 CAS 内容合集的分析所显示的那样，碳捕集技术正在多元化并趋于成熟，我们预计未来几年其应用将持续增加。限制温室气体（包括 CO2）排放的需求逐年迫切，这些关键技术对于实现相关目标至关重要，特别是在难以减排的工业领域。
正如联合国秘书长所指出的那样，世界需要采取一种“全方位、全覆盖、全速推进”的方法来缓解气候变化的影响。CO2 捕集技术的商业化是实现这一目标的另一项重要战略。
